科學家冷卻了一個物體超越已知的物理學冰冷極限!

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是什麼比冷還要再冷?

有史以來第一次,物理學家把一個機械物體冷卻到比先前認為可能的低溫還要再低的溫度,使得它低於所謂的”量子極限(quantum limit)”,並且讓物理定律屈服。

利用一種新技術,研究小組設法將一個微觀機械鼓冷卻到一個空前的凱氏360微度,或是比太空真空冷1萬倍。這是記錄上最冷的機械物體。

來自科羅拉多州波德市(Boulder)的美國國家標準技術研究所(US National Institute of Standards and Technology)的團隊領導人約翰‧杜福(John Teufel)告訴新科學人(New Scientist)雜誌的莉亞‧克蘭妮(Leah Crane):「它比在宇宙任何地方自然發生的溫度還要低很多。」

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研究人員之一的荷西‧歐曼塔度(José Aumentado)在一份新聞稿中補充:「這些結果對這個領域的專家來說是一個完全驚訝。」

要清楚的是,這不是最冷的物體,最冷物體的稱號要給玻色-愛因斯坦凝態(Bose-Einstein condensate)。玻色-愛因斯坦凝態是玻色子的稀釋氣體,能夠被冷卻到凱氏500皮度(凱氏1皮度(picoKelvin)是10–12℃,而凱氏1微度(microKelvin)是10–6℃)。

Image result for Bose-Einstein condensates

但這是至今最冷的機械物體,意味著它是一個較大結構的一部分,而且可以被用於未來的科技。

這個微小的鼓是由一個振動的鋁膜組成的,而且研究人員能夠拿走它到少於一個單獨’量子’的5分之1,溫度低於物理學定律預測能夠到達的溫度。量子是被用來描述被包含在一個光子中的一個單獨能量包。

事實上,這個團隊認為新技術是非常強大的,理論上可以把物體冷卻到絕對零度,或凱氏零度;這是物質幾乎沒有能量和行動的溫度。

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通常當研究人員冷卻物體時,它們使用雷射來減慢原子的運動,這會抑制發生在材料的熱振動。

有組織的雷射越多,就越能冷卻表面。但新技術把冷卻更向前進一步,而且使用稱為’受擠壓的(squeezed)’光,來使原子比以前認為可能的低溫還要冷。

受擠壓的光是一種類型的光,在一個方向會比另一個方向更有組織。這會在光粒子中移動不需要的量子雜訊,或是波動,從光的有用特性到不會影響實驗的另一部分。

這個受擠壓的光經常被用在量子密碼學(quantum cryptography),以及被用來纏住光。但這是第一次研究人員想到要應用它來冷卻東西。

這是很重要的,因為雜訊在正常有組織的光裡,加熱了研究人員嘗試要冷卻的任何物體,並且限制它可以到達多冷。因此是”量子限制(quantum limit)”。

但這項新研究認為,透過擠壓的光線,我們可以打破量子冷卻的極限。

杜福說:「雜訊給你一些隨機的衝刺或加熱到你正在嘗試冷卻的事物。」

「我們正在以’魔術’的等級來擠壓光,在一個非常特定的方向和數量,使完全相關的光子具有更穩定的強度;這些光子既是脆弱又強大的。」

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為什麼能夠做出有多冷的材料是很重要的?因為它有助於我們創造未來的超快速電子。

這個團隊冷卻的鼓樂器直徑為20微米,厚度為100納米,並且嵌入在一個超導電路中。

這類型的鼓可以用在量子電腦,結合量子和機械元件;而且越冷你能達到,它就越準確。

杜福說:「你能讓這個鼓越冷,對於任何的應用就越好。」

「感應器會變得更加敏感,可以存儲資訊更久。如果在量子電腦使用它,那麼計算不會有失真,而且會實際得到想要的答案。」

超級冷卻的鼓也有助於我們探索量子世界的本質,想像看見量子力學的一些奇怪行為似乎出現在一般材料中,一旦它們達到之前所認為在物理學上可能的低溫極限。

正如我們正在學習,當提到科學時,我們現在認為的可能,只是開始而已。

這項研究刊登在自然(Nature)期刊

來源:ScienceAlert